ทำความรู้จัก Strain Gauge, Piezoelectric และ Accelerometer

Sirinthip Kamolsawat: พอจะแนะนำได้ไหมค่ะ เว็บที่ให้ข้อมูล เกี่ยว strain gauge transducer ที่นำมาใช้ ทางคลินิก แล้ว foot switch นี่เป็น sensor แบบไหน strain gauge หรือ piezoelectric sensor แล้ว accelerometer เป็น sensor แบบไหน ใช่ piezoelectric sensor หรือเปล่า สับสน

ข้างบนเป็นคำถามที่เพื่อนท่านหนึ่งใน facebook ถามไว้ เลยเอามาตอบในนี้เพื่อเป็นประโยชน์กับคนอื่นที่จะเข้ามาอ่านด้วย ก่อนอื่นออกตัวก่อนเป็นการค้นข้อมูลส่วนตัว และผมไม่ได้ทำงานด้านเวชศาสตร์ฟื้นฟู ซึ่งน่าจะเกี่ยวข้องมากที่สุด แต่พอได้อ่านและได้เรียนมาบ้าง จึงเอาข้อมูลที่พอจะเข้าใจมาให้เป็นอีกหนึ่งข้อมูลครับ

ก่อนอื่นเราต้องทำความรู้จักกับ strain gauge, piezoelectric  และ accelerometer กันก่อน

สเตรนเกจ (Strain Gauge) คือเครื่องมือที่ใช้ในการตรวจวัดแรงตึงเครียด(Strain) ของวัตถุ คิดค้นโดย เอ็ดเวิร์ด อี ซิมมอนส์ และ อาร์เทอร์ ซี รูค ในปี ค.ศ. 1938  ส่วนใหญ่สเตรนเกจ จะทำจากเส้นลวดโลหะขนาดเล็กขดเป็นรูปร่างต่างๆ อยู่บนแผ่นฉนวน นอกจากนั้นยังมีเสตรนเกจแบบอุปกรณ์กึ่งตัวนำด้วย ซึ่งมีความไวสูงกว่าและขนาดเล็กกว่าแบบลวดโลหะ แต่ก็มีราคาแพงกว่าเช่นกัน

ตัวอย่าง เสตรนเกจ จาก http://en.wikipedia.org/Strain_gauge

หลักการของเตจเกจ คือ เมื่อเสตรนเกจถูกแรงกระทำ จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างไป(ยืด หด บิด งอ) ทำให้ความต้านทานของวัตถุนั้นเปลี่ยนไปตามแรงที่กระทำ การนำไปใช้จะใช้การต่อวงจร Wheatstone bridge เพื่อหาความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าเมื่อความต้านทานเปลี่ยนแปลงไป

ตัวอย่างการใช้เสตรนเกจ ในทางวิศวกรรมชีวเวช ส่วนใหญ่จะถูกนำมาใช้เป็นตัวตรวจวัดแรงต่างๆ เช่น ใช้เป็นเซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนัก เซ็นเซอร์วัดแรงกดของฝ่าเท้า เซ็นเซอร์วัดความดันเลือด เป็นต้น

Piezoelectric (เพียโซอิเล็กทริค) คือ อุปกรณ์ตรวจวัดแรงกลต่างๆ เช่น แรงดัน ความเร่ง การสั่น แรงเครียด หรือแรงกระทำอื่นๆ โดยเปลี่ยนพลังงานกลต่างๆเหล่านี้ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ในทางกลับกันเมื่อให้พลังงานไฟฟ้าแก่วัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นเพียโซอิเล็กทริค วัสดุนั้นก็จะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลได้เช่นกัน

วัสดุที่มีสมบัติเป็นเพียโซอิเล็กทริค มีหลายชนิด เช่น คริสตอล(gallium phosphate, quartz, tourmaline) เซรามิค โพลิเมอร์ เป็นต้น

ตัวอย่างภาพ เพียโซอิเล็กทริค เปลี่ยนแรงกดเป็นพลังงานไฟฟ้า

การนำเพียโซอิเล็กทริค ไปใช้ในงานทางด้านวิศวกรรมชีวเวช เช่น ตัววัดคลื่นเสียงของหัวใจ(ไมโครโฟน), ตัวรับสัญญาณของเครื่องอัลตราซาวด์, Quartz crystal microbalance(QCM) ที่มีการประยุกต์ใช้ในการตรวจวัดสารชีวโมเลกุลจำนวนมาก, ตัวตรวจวัดแรง เป็นต้น

Accelerometer คือ เครื่องตัววัดความเร่ง ของการเคลื่อนที่ของวัตถุ คุ้นเคยดีในมือถือสมาร์ทโฟนทั่วไป เช่น iPhone ตัวอย่างการใช้งานเช่น การเขย่าเพื่อเปลี่ยนเพลง หรือการเขย่าตัวเครื่องเพื่อใช้ในการควบคุมการเล่นเกม ล้วนเป็นคุณสมบัติของ accelerometer ที่ติดมาในเครื่อง

โครงสร้างของ accelerometer จะประกอบด้วยสปริงและลูกตุ้มน้ำหนัก เมื่อมีการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งลูกตุ้มน้ำหนักจะถูกกดไปอีกฝั่งตรงข้ามกับการเคลื่อนที่ สปริงก็ทำหน้าที่ดึงกลับเข้าที่อีกครั้งเมื่อหยุดการเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่คือความเร่งเท่ากับศูนย์ ค่าที่วัดได้ก็จะไม่เปลี่ยนแปลง

Piezoelectric accelerometer

ส่วนตัวเซ็นเซอร์ภายใน ที่จะใช้ในการตรวจวัดความเร่งของลูกตุ้มที่อยู่ในระบบนั้นมีหลายชนิด เช่น เพียโซอิเล็กทริค, สเตรนเกจ, ชนิดใช้แสงตรวจวัด, วัดแรงเฉือน เป็นต้น

การนำ accelerometer ไปใช้ในงานทางด้านวิศวกรรมชีวเวช เช่น เครื่องตรวจวัดความเร็วที่ติดในรองเท้า เครื่องนับจำนวนก้าวเท้า เป็นต้น

มาเข้าสู่คำถามและคำตอบ

ถาม: เว็บที่ให้ข้อมูล เกี่ยว strain gauge transducer ที่นำมาใช้ ทางคลินิก
ตอบ: ไม่มีโดยเฉพาะครับ (ตอนนีไม่รู้) แนะนำให้ค้นข้อมูลจาก Journal และฐานข้อมูลงานวิจัย โดยใส่คีย์เวิร์ดเป็น Strain Gauge + งานที่ต้องการใช้

ถาม: foot switch นี่เป็น sensor แบบไหน strain gauge หรือ piezoelectric sensor
ตอบ: เครื่องมือที่วัดแรงกด สามารถใช้ strain gauge หรือ piezoelectric sensor ก็ได้ ต้องมาดูอีกทีว่าเป็นรุ่นไหน ยี่ห้ออะไร ดู spec น่าจะช่วยบอกได้

ถาม: accelerometer เป็น sensor แบบไหน ใช่ piezoelectric sensor หรือเปล่า
ตอบ: ใช่ หรือไม่ก็ได้ accelerometer เป็นเครื่องตรวจวัดความเร่ง เซ็นเซอร์ภายในมีหลายแบบ และ piezoelectric sensor เป็นหนึ่งในนั้นที่ถูกนำมาใช้ ซึ่งแบบอื่นๆก็มีเหมือนกัน

อ้างอิง:
http://en.wikipedia.org/wiki/Strain_Gauge
http://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectric_sensor
http://en.wikipedia.org/wiki/Accelerometer

sarapuk

คนที่อยากเห็น Biomedical Engineering ของประเทศไทย พัฒนาก้าวไกล

2 thoughts on “ทำความรู้จัก Strain Gauge, Piezoelectric และ Accelerometer

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องที่ต้องการถูกทำเครื่องหมาย *